近年来，快速除湿在工业加工、气候控制系统以及室内空气质量管理等诸多领域中已成为一项关键需求。高湿的室内环境，尤其对于封闭空间，容易引发霉菌滋生、材料劣化以及人体不适等问题。在众多除湿技术中，采用吸湿材料从空气中捕获水分的吸附式除湿技术逐渐成为一种颇具前景的解决方案。该技术具有响应速度快、处理能力灵活、可适应不同湿度条件等优势，但其除湿性能高度依赖于所用吸湿材料的吸附量和动力学等特性。因此，开发兼具快速吸放湿能力且结构稳定性强、易规模化合成的吸湿材料，有望满足高效大规模除湿场景应用需求。
日前，上海交通大学制冷与低温工程研究所王如竹教授领衔的ITEWA创新团队从自然界中获取灵感，通过模仿黑云杉等植物的垂直排列管胞结构，用直接墨水书写3D打印技术“复刻”其内部输水通道，开发了一种仿生多孔吸湿材料（CASN-Li）。该材料同时具有宏观有序传质通道和微米级孔隙结构，从而协同加速水分内部传输，吸湿速率达到1.5gg⁻¹h⁻¹（90%相对湿度下），且在60%相对湿度（RH）下的吸湿速率是其实心块状吸湿材料的2.1倍。1块尺寸为20×20×3mm³的材料，能在25min内将体积是其6750倍的空间内部RH从90%降至60%。3D打印技术能够实现CASN-Li材料的结构定制化和批量加工，海藻酸钠和亲水性气相二氧化硅等低成本组分使得该材料规模化生产成本可控。
目前，该研究工作以题为“Biomimetic Porous Hygroscopic Monolith with Vertically Aligned Channels by 3D Printing for Rapid Dehumidification and Regeneration”的论文发表在《Advanced Functional Materials》上。上海交通大学制冷与低温工程研究所博士研究生陈芷荟为论文第一作者，王如竹教授为通讯作者。3D打印多孔吸湿材料的制备
研究团队选择海藻酸钠（SA）作为3D打印浆料，其具有生物可降解、低成本和在二价阳离子存在下的快速凝胶化等优点，易成形为球状、纤维或复杂三维结构，具备良好的打印适应性。同时引入亲水性气相二氧化硅（HF-SiO₂）纳米颗粒改善浆料的流变学特性，满足剪切变薄和自支撑的打印需求。此外向浆料中加入氮化硼（BN）增强材料导热性，加速吸附剂脱附再生。3D打印成型的材料在经过冷冻定型和化学交联固型后，置于氯化锂溶液中负载吸湿因子，以增强材料在宽湿度范围下的吸湿能力（图1）。
图1. CASN-Li的制备过程
3D打印多孔吸湿材料的表征
3D打印过程赋予了吸湿材料CASN-Li均匀的宏观孔隙结构（图2A），孔径约为0.6×0.6mm²。放大后的扫描电镜图像进一步显示该多孔基质具有丰富的微米级孔隙，为吸湿盐的负载与盐溶液的存储提供了空间。此外，丰富的孔隙结构和纳米材料的引入也赋予了吸湿材料轻质的特点（图2B）。研究团队进一步探究了CASN-Li在干燥和吸湿状态下的抗压性能，测试结果表明，即使在含水状态下该材料也能承受高达10MPa的压应力（图2E），展现出可靠的机械强度和结构完整性。
图2. CASN-Li的表征研究
多孔吸湿材料的吸附-脱附特性
合成的多孔吸湿材料CASN-Li展现出良好的吸附动力学性能。3D打印过程赋予了其宏观垂直排列通道用于快速水分传输，缩短了水分扩散路径。与实心块状吸附剂相比，3D打印多孔结构具有更大的比表面积，能够暴露更多的活性位点以捕获水分。同时材料表面的粗糙结构进一步增加了水分子与吸附剂的接触面积，从而加速吸附过程的进行。此外，CASN-Li展现出强有力的毛细作用（图3B），能够及时将吸附过程形成的盐溶液吸入并储存在孔隙中，有效防止盐溶液泄漏，从而实现高效、可重复的吸附-脱附循环。
在RHs为30%、60%和90%的条件下，CASN-Li吸附2小时的吸附量分别为0.42、0.76和1.18gg-1（图3F，实线），分别达到对应平衡吸附量的88.4、89.4和64.1%。通过对比微量材料（图3F，虚线）与放大合成材料（图3F，实线）的动态吸附曲线，本研究提出的吸附剂结构设计可以有效缓解大规模应用中因放大效应导致的吸附动力学恶化。得益于优异的多孔结构，与现有其他方法制备的氯化锂基复合吸湿材料相比，CASN-Li展现了突出的吸附动力学特性（图3I），具有实现快速除湿目标的应用潜力。
图3. CASN-Li的结构示意图和吸附性能
为充分发挥CASN-Li快速的传质特性，研究团队采用热风解吸方式实现吸附剂快速脱附再生。在81.7°C（11 V）的送风温度下加热15min，材料快速升温并接近平衡，平衡温度约为78.4 °C（图4C），且在加热20min时其脱附量达到初始饱和吸附量的81.8%（图4D），验证了CASN-Li的热质协同强化设计。
依托数字化3D打印技术，CASN-Li的结构可以根据需求定制。优异的机械性能使其易于取放，适用于移动或便携式场景。此外，该吸附剂还展现出良好的经济可行性和成本优势。海藻酸钠是一种可再生且价格低廉的生物高分子材料，亲水性气相二氧化硅广泛可得、成本低廉，虽然氮化硼价格相对稍高，但仅需少量。CASN-Li充分发挥了各组分的协同优势，使其具备低成本大规模制备的潜力，适用于可扩展且具有经济可持续性的实际应用场景（图4F）。
图4. CASN-Li的脱附性能与综合评估
除湿再生性能测试与预测
研究团队设计了一个透明的亚克力装置（250×180×180 mm3）来验证CASN-Li实现快速除湿再生的有效性（图5A），该装置体积是单块CASN-Li体积的6750倍。测试结果显示，装置内部相对湿度在25 min内迅速从90%降低到60%。具体而言，在25min内，相对湿度分别从60、70、80和90%下降到39.1、45.4、53.6和59.9%（图5B）。通过将吸附剂的用量增加到两块，可以将装置内部RH从90%降低到60%所需的时间减少一半。研究团队进一步将CASN-Li的除湿性能与现有报道的吸附剂在装置层面的除湿性能进行了比较（详见支撑材料），也表明CASN-Li具有高效的湿度调节能力。接着研究团队对装置内部的除湿过程开展了仿真模拟（图5E），探究了基于吸附剂用量和装置内部初始相对湿度，除湿30min后装置内部相对湿度的变化，以便选择合适的吸附剂用量达到理想的气候条件（图5F）。
图5. CASN-Li的除湿再生性能测试与预测
文章总结
在全球范围内，室内除湿不仅对健康与舒适至关重要，还对于适应气候变化和支持可持续发展具有重要意义。研究团队提出了一种具有仿生多孔结构的吸湿材料CASN-Li，用于快速湿度调节。通过直接墨水书写3D打印技术与化学交联相结合，赋予该材料毫米级宏观有序垂直孔道和微米级多孔结构。尤其是借助3D打印技术构建的宏观孔道，大幅增加了材料暴露于环境湿分的活性位点，有效提升了CASN-Li的吸脱附性能。该研究工作也验证了将3D打印与吸附式大气水利用技术结合在实现高效湿度调控方面的广阔应用前景。
原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202508512